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豐田凱美瑞（查成交價|參配|優(yōu)惠政策）/亞洲龍（查成交價|參配|優(yōu)惠政策）2.5L發(fā)動機超深度開發(fā)解密

豐田凱美瑞/亞洲龍2.5L發(fā)動機正在超深度開發(fā)中解密。

10 排氣系統(tǒng)（核心內(nèi)容）

10.1概述

為了滿足北美Sulev30、歐洲Euro6和中國6日益嚴(yán)格的法規(guī)，精確控制催化劑溫度變得越來越重要。催化轉(zhuǎn)化器的布置應(yīng)考慮冷啟動的快速點火性能和高負(fù)荷的熱老化性能。但是，這兩個要求是矛盾的。因此，重新設(shè)計了氣缸蓋中的排氣口布局、催化劑的比表面積和催化劑的位置，以同時滿足這兩個目標(biāo)。

此外，不僅需要通過降低排氣背壓和排氣管的長度來改善性能，還需要將輔助催化劑(UF)盡可能靠近發(fā)動機布置。因此，確保催化劑布置的自由度是非常重要的。為滿足上述要求，采用后排氣系統(tǒng)，即催化轉(zhuǎn)化器布置在發(fā)動機艙的后端，如圖46所示。

PS:一般催化轉(zhuǎn)化器溫度較高，前端的布置有利于高負(fù)荷下用風(fēng)冷冷卻，提高主催化轉(zhuǎn)化器的抗老化性能。然而，在這種布置下，發(fā)動機排氣長時間流過輔助催化轉(zhuǎn)化器，輔助催化轉(zhuǎn)化器的溫度低，并且凈化效率低。

圖46排氣系統(tǒng)布局

此外，雙A/F傳感器控制系統(tǒng)(估計是世界上第一個)已經(jīng)實現(xiàn)。該系統(tǒng)在主催化器前后有兩個A/F傳感器，依靠極高的控制精度來精確控制氣體成分，從而可以很好地把握催化器的狀態(tài)，提高催化器的性能。該體系的應(yīng)用使催化劑的粒徑變小，降低了貴金屬含量，具有良好的環(huán)保性能。

PS:目前國六車型往往依靠貴金屬含量來提高凈化效率，比如國五用2g/L，國六用4g/L，1g貴金屬500元要4000元左右，非常貴。然而，豐田依靠雙A/F傳感器來提高控制精度，以滿足排放要求。做技術(shù)對標(biāo)的時候，可以拿凱美瑞催化轉(zhuǎn)化器來分析。相信你會有所收獲！

0.2排氣冷卻系統(tǒng)(氣缸蓋)

為了保證氣缸蓋的散熱能力，通過設(shè)計優(yōu)化，實現(xiàn)了排氣門之間的橫向流動，水套的截面積也減少了20%，傳熱系數(shù)提高，使排氣門之間的溫度降低了10℃左右，減少了沿途的壓力損失和流動損失。圖47顯示了氣缸蓋的排氣閥和水套布局。采用上下水套的設(shè)計，擴大了排氣門的換熱表面積，換熱效率達(dá)到傳統(tǒng)發(fā)動機的近兩倍。此外，電子水泵用于控制發(fā)動機預(yù)熱過程中的冷卻液流量，以減少冷啟動階段不必要的熱量損失。在高負(fù)荷下，增加冷卻液流量，提高換熱效率，從而可以在較寬的工況范圍內(nèi)實現(xiàn)理論空燃燒比，并且不需要通過多次噴油的方式降低排氣溫度。如圖48所示，在保證催化轉(zhuǎn)化器不發(fā)生熱老化的前提下，擴大了理論空燃料比的范圍，從而節(jié)省了油耗。

圖47排氣門和氣缸蓋水套布置圖

圖48 空全工況下的燃料比范圍

0.3排氣歧管設(shè)計

圖49顯示了排氣歧管的布局。如前所述，出于性能考慮(降低排氣背壓)，排氣歧管從前端移至后側(cè)。此外，通過采用4-1排氣歧管布局，通過優(yōu)化氣門正時(改變氣門重疊角)和增加歧管長度來增加掃氣率、減輕爆震和提高性能。此外，研究了各缸配氣對傳感器的影響，使傳感器對各缸的適應(yīng)性一致，提高了傳感器的響應(yīng)精度，降低了控制模型的標(biāo)定壓力，降低了催化劑中的貴金屬含量。

圖49排氣歧管布局

通過優(yōu)化排氣歧管長度和排氣表面積，不僅可以獲得更高的扭矩性能，還可以通過更快的預(yù)熱獲得更好的排氣凈化性能。通過最小化歧管的彎曲，確保了空氣分布的均勻性，并且降低了制造難度。

PS:排氣歧管越長，周圍氣缸對燃燒室的影響越弱，有利于燃燒穩(wěn)定和爆震抑制。但排氣歧管越長，廢氣流過的金屬表面積越大，熱損失越高，因此催化劑在冷啟動下無法快速達(dá)到活性溫度。這里有一個平衡。馬自達(dá)的4-2-1排氣歧管為了保證發(fā)動機性能，犧牲了冷啟動下的排放；本田的排氣歧管很短，冷啟動時噪音低，排放低，發(fā)動機極限性能時熱效率低。

10.4催化轉(zhuǎn)換器設(shè)計(曾經(jīng)是最高機密)

目前，世界范圍內(nèi)對節(jié)能減排的要求非常高，尾氣的凈化主要取決于催化轉(zhuǎn)化器的設(shè)計。在國五排放的基礎(chǔ)上，將貴金屬的用量增加一倍甚至兩倍，以滿足排放規(guī)定。貴金屬價格會在250元/克左右，3g增加750元，對主機廠壓力很大。因此，有必要優(yōu)化催化劑的結(jié)構(gòu)和涂層。

圖50催化劑涂層的微觀視圖

如圖50所示，一般優(yōu)化設(shè)計有兩個重點，一是孔結(jié)構(gòu)設(shè)計，二是貴金屬類型和涂層設(shè)計。豐田A25A發(fā)動機采用的涂層優(yōu)化方案如圖51所示。

圖51涂料配方優(yōu)化

理論上涂層分為基材和活性貴金屬，但實際上不同貴金屬的涂層方法差別很大。這里，如圖52所示，催化劑涂層分為上下兩層。上次需要設(shè)計材料的厚度，導(dǎo)致厚了浪費，薄了凈化能力不足。Rh層中添加少量CeO2 _ 2可以提高加速工況下NOx的凈化能力；在下部催化劑的前端添加i-A。